建筑材料材料的基本性质

主要内容
§1 材料的组成结构与构造 §2 ★材料的密度、表观密度和孔隙率 §3 材料的力学性质 §4 ★材料与水有关的性质 §5 ★材料的耐久性 §6 材料与热有关的性质
§1 材料的组成、结构与构造
材料的组成、结构与构造是决定材料性能 的内部因素。
一、材料的组成
材料的组成包括化学组成和矿物组成。
一）化学组成
三）链节 合成高分子材料常以其链节表示，链节是一种或几
种低分子化合物按特定结构构成的单元。如聚乙烯的 链节是C2H4等。 四）组成与材料性能的关系
组成决定性能→高铝水泥与硅酸盐水泥。
组成相同时，结构决定性能→金刚石与石墨的成分均 为C，但由于C原子排列不同，前者为无色极坚硬的晶 体，后者为黑色光滑的无定型粉末。
一、密度
一）定义 材料在绝对密实状态下单位体积的质量。
二）公式 ρ＝m / V ρ—g/cm3，密度 m—g，绝对密实状态下的质量 V—cm3 ，绝对密实状态下的体积
三）注意 必须强调材料绝对密实状态的概念 必须强调密度是材料自身固有的性质，与外 界条件变化与否无关
二、表观密度
一）定义 在自然状态下（包含孔隙）单位体积的质量。
非金属→元素氧化物含量，如水泥的SiO2、Al2O3含 量。
有机高分子材料→低分子化合物，如乙烯。
二）矿物组成
指组成材料的矿物种类和数量，矿物是具有一定化 学成分和一定结构及物理力学性质的物质和单质的总 称，是构成岩石和无机非金属材料的基本单元。例如 硅酸盐水泥熟料的矿物组成：C3S、C2S、C3A、C4AF。
二）公式 γ＝m / V0 γ—g/cm3 (kg/m3 )，表观密度 m —g(kg)，材料自然状态下的质量 V0 —cm3 (m3 )，材料自然状态下的体积
三）注意 必须强调材料自然状态的概念 自然状态包括孔隙、含水状态等，如干燥状 态下的表观密度，或某种含水状态下的表观 密度
三、密实度与孔隙率
✓ 孔隙结构(孔隙分布) 含有大量分散不连通孔隙的材料具有良好的保温隔热 性能。含有大量与外界连通的微孔或气泡的材料具有 良好的吸声隔音性能。 ✓ 孔隙形状(开口与闭口孔) 闭口孔隙，不易被水分及溶液侵入，对材料的抗渗、 抗冻及抗侵蚀性能的影响较小。
§2 材料的密度、 表观密度和孔隙率
是本章的重点 要求掌握基本概念、计算等内容 主要讲解块状材料与散体材料的： 密度ρ与视密度ρ’ 表观密度γ与堆积密度γ’ 密实度D、孔隙率P与空隙率P’
键结合)
铝及其合金 密度大
实际材料中的晶体，都有各种晶格缺陷，主 要有点缺陷、线缺陷和面缺陷，这些缺陷会显 著改变晶体材料的性质。此外，材料的性质还 与晶粒的大小和分布状态有关。
2)非晶体 无定形结构或玻璃体结构。它是一种不稳定
的结构，具有较高的化学活性，如硅酸盐水泥 熟料。
二）显微结构 指用光学显微镜可以观察到的材料组成及
一）孔隙率
材料中孔隙体积与总体积的百分比 P＝(V0－V) / V0 ＝(1 － γ/ ρ)×100% 二）密实度
D ＝ V / V0 ×100% P＝1－D 三）注意
孔隙率与密度及表观密度的关系 孔隙率与密实度的关系 几种常用材料的密度、表观密度及孔隙率(P8 表1-1)
结构，其尺度范围在0.001～1mm，对材料性 质有重要影响。例如水泥混凝土材料可分为水 泥基相、集料分散相、界面过渡区及孔隙等， 它们的状态、数量及性质将决定水泥混凝土的 物理力学性能。钢材的晶粒尺寸直接影响钢材 的强度。 对于土木工程材料而言，从显微结构层次上研 究并改善材料的性能十分重要。
三）微粉、超微颗粒及胶体 1）微粉 粒径在0.0001~0.1mm间的各种矿物或金属粉末。 2）超微颗粒（纳米微粒） 粒径在10-6~10-4 mm间的各种微粒。 由于纳米微粒有小尺寸效应、表面界面效应等 基本特性，使由纳米微粒组成的纳米材料具有 许多奇异的物理化学性能，在土木工程中也得 到了应用。例如磁性液体、纳米涂料等。
材料的微观结构 常见材料
主要特性
原子晶体(以共价 金刚石、石英、强度、硬度、熔点均
键结合)
刚玉
高，密度较小
离子晶体(以离子 氧化钠、石膏、强度、硬，但波动大，部分
可溶，密度中等
分子晶体(以分子 蜡及有机化合 强度、硬度、熔点较
键结合)
物晶体
低，大部分可溶，密
度小
金属晶体(以金属 铁、钢、铜、 强度，硬度变化大，
材料的孔 多孔材料的性质除与材料孔隙率的大小有关外，还与孔 隙的构造特征有关。
孔特征参数
✓ 孔隙多少（孔隙率P） 随着孔隙率的增大，材料表观密度减小，强度下降。 ✓ 孔隙大小（孔半径r） 对于开口孔隙，粗大孔隙易于水分透过，但不易被水 充满；极细孔隙，水分易被吸入，但不易在其中流动； 介于两者之间的毛细孔隙，既易被水充满，水分又易 在其中渗透，对材料的抗渗性、抗冻性及抗侵蚀性能 不利。
3）胶体 超微颗粒在介质中形成的分散体系。按其物理 力学性质取决于介质还是微粒，将胶体分为溶 胶和凝胶。 溶胶—凝胶互变的性质称为触变性。
三、材料的构造
指材料的宏观组织状况，材料的性质与其构造有密切 联系。
构造致密的材料强度高→如钢材；疏松多孔的材料密 度和强度低→如无机非金属材料；层状或纤维状的材料 各项异性→木材。
1)定义
组成材料的化学元素种类和数量，直接影响材料的 化学性质，也是决定材料物理力学性质的重要因素。 土木工程材料的诸多性质都与其化学成分有关，如水 泥中CaO、MgO含量影响着水泥的安定性。
2)表示方法
金属→化学元素的含量来表示，如碳素钢以碳元素 含量来划分：25Mn（平均含C=0.25%、含Mn0.7%-1.2% 的镇静钢）。
二、材料的结构
材料的结构是指材料的微观组织状况，可分为 微观结构和显微结构。
一）微观结构 能用显微镜观察到的组成材料的原子、分子
的排列方式、结合状况等。材料的微观结构可 分为晶体、非晶体。
1）晶体 晶体是质点(原子、分子、离子)在三维空间作
有规律的周期性重复排列（远程有序）而形成 的固体。 按晶体质点间键能的大小以及结合键的特性， 可将晶体分为：原子晶体、离子晶体、金属晶 体、分子晶体。其性能如下表 ：